解释粒子具有质量的最佳机制—自发对称性破缺,如何理解负质量?( 二 )


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负质量是什么意思?在爱因斯坦的狭义相对论中 , 一个物体的质量和它的速度之间存在着一种关系 。这种关系被称为能量-动量关系:
解释粒子具有质量的最佳机制—自发对称性破缺,如何理解负质量?
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这种关系告诉我们一些基本的东西 。首先 , 它告诉我们 , 在任何惯性参考系下 , 具有正质量的粒子都不能超过光速 。它还告诉我们 , 零质量的粒子必然以光速飞行 。这就是为什么光子 , 一个离散的光包 , 没有质量 。最后 , 它还说 , 具有负质量的粒子必须比光速更快 。这些类型的粒子被称为超光速粒子(tachyons) , 它们超越了物理学中的任何因果关系的概念 。
因此 , 当温度足够低时 , 就会有超光速粒子冒出来 。正如我所说 , 这个理论中的 超光速粒子的存在是一个问题 。
为了解决这个问题 , 朗道和金兹堡改变了拉格朗日量 , 改变了质量的符号 。质量变成负值的温度被称为临界温度 。事实证明 , 当温度足够低时 , 势能就会倒转 , 最低点也会改变 。在上面的例子中 , 只有一个最低点 。在这种情况下 , 现在有两个最低点 , 在场值为零的区域类似于一个 "山丘" 。
解释粒子具有质量的最佳机制—自发对称性破缺,如何理解负质量?
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该图显示了可能发生的两种情况 。在左边 , 是温度高和质量为正的情况 。在右边 , 是温度低的情况 。在零点会发生什么?山顶上的这个区域是不稳定的 , 可以看到 , 如果我把这个不稳定的山顶上的粒子(右图中的黑点)稍微扰动一下 , 它就会随机地掉落到两边的底部 。因此 , 在高温下作为基态的那一点现在已经变得不稳定 , 被两个较低的基态所取代 。
从单一的基态到两个可能的基态就是 "对称性破缺 "的全部内容 。当温度足够低时 , 物理系统必须选择一个解——X轴右边的正基态或左边的负基态 。以前 , 拉格朗日量并不关心任何意义上的 "正 "或 "负 "符号 。现在 , 对称性在低温下被打破了 , 它必须在两种可能的基态之间做出选择 。这就是对称性打破机制的核心 。
戈德斯坦玻色子?(Goldstone Bosons)
现在 , 系统中有了一些被打破的对称性 。我们如何从中产生一个粒子呢?由于拉格朗日量最初是对称的 , 诺特定理(Noether's theorem)指出 , 有一个与对称性相关的电荷 。例如 , 量子电动力学中的对称性导致了我们现在所知的电荷 。当你用这种电荷激发这些基态之一时 , 实际上可以得到一个没有质量的粒子从中漂浮出来 , 就像光子一样!这些无质量的粒子 , 来自于一个没有质量的地方 。这些来自对称性破缺的无质量粒子被称为戈德斯坦玻色子? 。这些戈德斯通玻色子不会出现在不稳定状态下 , 只出现在对称性被打破的基态上 。
【解释粒子具有质量的最佳机制—自发对称性破缺,如何理解负质量?】来源:老胡说科学